Modes dégradés résultant de l'utilisation multi constellation du GNSS

Francis Castanie

Description

Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
i ccc THÈSE En vue de l'obtention du DOCTORAT DE L'UNIVERSITÉ DE TOULOUSE Délivré par l'Institut National Polytechnique de Toulouse Discipline ou spécialité : télécommunications - SIAO Ecole doctorale : Mathématiques Informatique Télécommunications de Toulouse JURY Pr Francis Castanié (Président) Pr Igor Nikiforov (Rapporteur) Pr Bernd Eissfeller (Rapporteur) Dr Christophe Macabiau (Directeur) Dr Benoît Roturier (Examinateur) Présentée et soutenue par Christophe OUZEAU Le 08/04/2010 Titre : Modes dégradés résultant de l'utilisation multi constellation du GNSS Title : Degraded Modes Resulting From the Multi Constellation Use of GNSS

• multi-constellation


• based navigation


• band than


• another arns band


• galileo e1


• gnss


• gnss signals remain


• gps


• combine gps

Sujets

• Europe
• Working Group
• Roturier
• Université de Toulouse

Informations

• Publié par: profil-feym-2012
• Nombre de lectures: 43
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 2 Mo

Extrait

ccc










THÈSE


En vue de l'obtention du

DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE

éliD vré par l’Institut National Polytechnique de Toulouse
Discipline ou spécialité : télécommunications - SIAO
Ecole doctorale : Mathématiques Informatique Télécommunications de Toulouse


Présentée et soutenue par Christophe OUZEAU
Le 08/04/2010

Titre : Modes dégradés résultant de l’utilisation multi constellation du GNSS
Title : Degraded Modes Resulting From the Multi Constellation Use of GNSS

JURY
Pr Francis Castanié (Président)
Pr Igor Nikiforov (Rapporteur)
Pr Bernd Eissfeller (Rapporteur)
Dr Christophe Macabiau (Directeur)
Dr Benoît Roturier (Examinateur)


i
















































ii
Résumé
Actuellement, on constate dans le domaine de la navigation, un besoin croissant de
localisation par satellites. Après une course à l’amélioration de la précision (maintenant
proche de quelques centimètres grâce à des techniques de lever d’ambiguïté sur des
mesures de phase), la relève du nouveau défi de l’amélioration de l’intégrité du GNSS (GPS,
Galileo) est à présent engagée. L’intégrité représente le degré de confiance que l’on peut
placer dans l’exactitude des informations fournies par le système, ainsi que la capacité à
avertir l’utilisateur d’un dysfonctionnement du GNSS dans un délai raisonnable.
Le concept d’intégrité du GNSS multi-constellation nécessite une coordination au niveau de
l’architecture des futurs récepteurs combinés (GPS-Galileo). Le fonctionnement d’un tel
récepteur dans le cas de passage du système multi-constellation en mode dégradé est un
problème très important pour l’intégrité de navigation.

Cette thèse se focalise sur les problèmes liés à la navigation aéronautique multi-
constellation et multi-système GNSS. En particulier, les conditions de fourniture de solution
de navigation intègre sont évaluées durant la phase d’approche APV I (avec guidage vertical).
En disposant du GPS existant, du système Galileo et d’un système complémentaire
géostationnaire (SBAS), dont les satellites émettent sur des fréquences aéronautiques en
bande ARNS, la question fondamentale est comment tirer tous les bénéfices d’un tel
système multi-constellation pour un récepteur embarqué à bord d’un avion civil. En
particulier, la question du maintien du niveau de performance durant cette phase de vol
APV, en termes de précision, continuité, intégrité et disponibilité, lorsque l’une des
composantes du système est dégradée ou perdu, doit être résolue.

L’objectif de ce travail de thèse est donc d’étudier la capacité d’un récepteur
combiné avionique d’effectuer la tâche de reconfiguration de l’algorithme de traitement
après l’apparition de pannes ou d’interférences dans une partie du système GNSS multi-
constellation et d’émettre un signal d’alarme dans le cas où les performances de la partie du
système non contaminée ne sont pas suffisantes pour continuer l’opération en cours en
respectant les exigences de l’aviation civile. Egalement, l’objectif de ce travail est d’étudier
les méthodes associées à l’exécution de cette reconfiguration pour garantir l’utilisation de la
partie du système GNSS multi-constellation non contaminée dans les meilleures conditions.
Cette étude a donc un intérêt pour les constructeurs des futurs récepteurs avioniques multi-
constellation.






iii
Abstract
The International Civil Aviation Organization (ICAO) has defined the concept of Global
Navigation Satellite System (GNSS), which corresponds to the set of systems allowing to
perform satellite-based navigation while fulfilling ICAO requirements.

The US Global Positioning Sysem (GPS) is a satellite-based navigation system which
constitutes one of the components of the GNSS. Currently, this system broadcasts a civil
signal, called L1 C/A, within an Aeronautical Radio Navigation Services (ARNS) band. The GPS
is being modernized and will broadcast two new civil signals: L2C (not in an ARNS band) and
L5 in another ARNS band.

Galileo is the European counterpart of GPS. It will broadcast three signals in an ARNS
band: Galileo E1 OS (Open Service) will be transmitted in the GPS L1 frequency band and
Galileo E5a and E5b will be broadcasted in the same 960-1215 MHz ARNS band than that of
GPS L5.
GPS L5 and Galileo E1, E5a, E5b components are expected to provide operational
benefits for civil aviation use. However, civil aviation requirements are very stringent and up
to now, the bare systems alone cannot be used as a means of navigation. For instance, the
GPS standalone does not implement sufficient integrity monitoring.
Therefore, in order to ensure the levels of performance required by civil aviation in terms of
accuracy, integrity, continuity of service and availability, ICAO standards define different
systems/algorithms to augment the basic constellations. GPS, Galileo and the augmentation
systems could be combined to comply with the ICAO requirements and complete the lack of
GPS or Galileo standalone performance.

In order to take benefits of new GNSS signals, and to provide the service level
required by the ICAO, the architecture of future combined GNSS receivers must be
standardized. The European Organization for Civil Aviation Equipment (EUROCAE) Working
Group 62, which is in charge of Galileo standardization for civil aviation in Europe, proposes
new combined receivers architectures, in coordination with the Radio Technical Commission
for Aeronautics (RTCA).

The main objective of this thesis is to contribute to the efforts made by the WG 62 by
providing inputs necessary to build future receivers architecture to take benefits of GPS,
Galileo and augmentation systems. In this report, we propose some key elements of the
combined receivers’ architecture to comply with approach phases of flight requirements.

In case of perturbation preventing one of the needed GNSS components to meet a
phase of flight required performance, it is necessary to be able to switch to another available
component in order to try to maintain if possible the level of performance in terms of
continuity, integrity, availability and accuracy. That is why future combined receivers must
be capable of detecting the impact of perturbations that may lead to the loss of one GNSS
component, in order to be able to initiate a switch. These perturbations are mainly
atmospheric disturbances, interferences and multipath. In this thesis we focus on the
particular cases of interferences and ionosphere perturbations.

iv
The interferences are among the most feared events in civil aviation use of GNSS.
Detection, estimation and removal of the effect of interference on GNSS signals remain open
issues and may affect pseudorange measurements accuracy, as well as integrity, continuity
and availability of these measurements. In literature, many different interference detection
algorithms have been proposed, at the receiver antenna level, at the front-end level.
Detection within tracking loops is not widely studied to our knowledge. That is why, in this
thesis, we address the problem of interference detection at the correlators outputs. The
particular case of CW interferences detection on the GPS L1 C/A and Galileo E1 OS signals
processing is proposed.

Nominal dual frequency measurements provide a good estimation of ionospheric
delay. In addition, the combination of GPS or GALILEO navigation signals processing at the
receiver level is expected to provide important improvements for civil aviation. It could,
potentially with augmentations, provide better accuracy and availability of ionospheric
correction measurements. Indeed, GPS users will be able to combine GPS L1 and L5
frequencies, and future GALILEO E1 and E5 signals will bring their contribution. However, if
affected by a Radio Frequency Interference, a receiver can lose one or more frequencies
leading to the use of only one frequency to estimate the ionospheric code delay.
Therefore, it is felt by the authors as an important task to investigate techniques aimed at
sustaining multi-frequency performance when a multi constellation receiver installed in an
aircraft is suddenly affected by radiofrequency in